Fotosentez denilince akla ilk gelen yoğun bir yağmur ormanı veya diğer yemyeşil karasal bitki örtüsü olabilir. Yine de okyanusları dolduran fitoplankton bulutları, doğadaki bu sürecin ana itici güçleridir. Bitki benzeri tek hücreli su mikropları atmosferdeki oksijenin %50'sinden fazlasını üretir ve karbondioksitin neredeyse yarısını emerek onu okyanusların besin ağını besleyen glikoza, yağlara, proteinlere ve diğer organik moleküllere dönüştürürler. .

A Yakın zamanda yayımlanan bir çalışmada in Current Biology bilim adamlarını uzun süredir şaşırtan bu benzersiz fotosentetik etkinliğin kaynağını nihayet tespit etti. Yeni araştırma, bazı fitoplanktonların, karbondioksiti diğer maddelere dönüştürme yeteneklerini güçlendiren bir "proton pompası" enzimi taşıyan ekstra bir iç zarla donatıldığını buldu. Bu tek protein modifikasyonundan kaynaklanan iyileştirmeler, havadaki oksijenin yaklaşık %12'sinin ve okyanusta "sabit" (organik bileşiklere kilitlenmiş) tüm karbonun %25'inin üretimine katkıda bulunuyor gibi görünüyor.

Şaşırtıcı bir şekilde, bu fotosentetik yenilik, fitoplanktonun atasında başlangıçta sindirim için kullanılan bir zar proteininden tesadüfen evrimleşmiş gibi görünüyor. Yeni çalışma, hücrelerin fotosentezdeki hünerlerini açıklamaya ek olarak, bu fitoplanktonların bir protozoa ile esnek bir yeşil alg arasındaki simbiyotik ittifak yoluyla ortaya çıktığı teorisini doğrulamaya yardımcı oluyor.

"On yıllardır bildiğimiz bir proton enziminin Dünya'da böylesine önemli bir fenomeni sürdürmekten sorumlu olmasını şaşırtıcı buluyorum" dedi. Dennis Brown, Harvard Tıp Okulu'nda zar proteinlerinin işlevlerini inceleyen ve çalışmaya dahil olmayan bir hücre biyoloğu.

Araştırmacılar, belirli fitoplankton sınıflarının (diatomlar, dinoflagellatlar ve kokolitoforlar) olağanüstü fotosentetik yetenekleriyle öne çıktığını biliyorlardı. Bu hücreler, çevrelerinden karbondioksiti alıp fotosentez için kloroplastlarına yönlendirme konusunda son derece beceriklidirler, ancak bunda neden bu kadar iyi olduklarına dair ayrıntılar henüz netlik kazanmamıştır. Bununla birlikte, bu üç fitoplankton grubuna özgü bir özellik, kloroplastlarının etrafında ekstra bir zara sahip olmalarıdır.

Yedi yıl önce, mikrobiyolog Daniel YeeYeni araştırmanın başyazarı, San Diego'daki California Üniversitesi'ndeki Scripps Oşinografi Enstitüsü'nde doktorası için diyatomlar üzerinde çalışıyordu. Fotosentez onun odak noktası değildi; diatomların, besin depolamaya yardımcı olmak ve sert silika hücre duvarlarını inşa etmek için iç asitliklerini nasıl düzenlediğini anlamaya çalıştı. Ancak kloroplastlarının etrafındaki benzersiz ek zarı fark etmeye devam etti.

Ekstra zarın, araştırmacılar tarafından eski, başarısız bir sindirim eyleminin bir kalıntısı olarak kabul edildiğini öğrendi. Bilim adamları, yaklaşık 200 milyon yıl önce, yırtıcı bir protozoanın tek hücreli bir fotosentetik algle ziyafet çekmeye çalıştığını varsaydılar. Esnek algi sindirmek için gıda vakuolü adı verilen bir zar yapısıyla sardı, ancak bilinmeyen bir nedenle sindirim gerçekleşmedi. Bunun yerine, alg hayatta kaldı ve protozoanın simbiyotik bir ortağı oldu ve onu fotosentezinin meyveleriyle besledi. Bu ortaklık, yeni ikisi bir arada organizma bugün bildiğimiz diyatomlara dönüşene kadar nesiller boyunca derinleşti. Ancak bir besin vakuolü olan ekstra zar tabakası hiçbir zaman kaybolmadı.

1990'ların sonunda, bazı bilim adamlarının varsaydığı eski gıda vakuolünün, proton pompası adı verilen bir transmembran kanal proteinini taşıması muhtemeldi. Mikrobiyolog, proton pompalarının sindirimden kan asitliğini düzenlemeye ve nöronların sinyal göndermesine yardımcı olmaya kadar organizmalardaki çeşitli görevler için özelleştirilebilen çok yönlü moleküller olduğunu açıkladı. martin tresguerres, yeni çalışmanın kıdemli ortak yazarı ve Yee'nin UCSD'deki eski danışmanı. Memelilerde, bir tür proton pompası, mineralize yapılarını parçalamak ve zamanla eritmek için kemik bölgelerinde oldukça aşındırıcı asidik koşullar yaratabilir.

Yee, aynı proton pompasının diatomların sert silika kabuklarını yapmalarına da yardımcı olduğunu buldu. Ancak proton pompasının çok yönlülüğü ve kloroplastla doğrudan ilişkisi düşünüldüğünde, bunun daha da fazlasını yaptığına ikna olmuştu.

Moleküler biyoloji tekniklerinin bir kombinasyonunu kullanan Yee ve ekibi, fitoplankton kloroplast çevresindeki ekstra zarın aktif, işlevsel bir proton pompası içerdiğini doğruladı - VHA adı verilen ve genellikle gıda vakuollerinde sindirim rolü oynayan bir pompa. Hatta gerçek zamanlı olarak çalışmasını izleyebilmek için proton pompasını bir flüoresan proteine ​​​​eriştirdiler. Gözlemleri, diyatomların kloroplastlarının etrafındaki ekstra zarı nasıl elde ettiklerine dair endosimbiyotik teoriyi destekledi.

Yee, Tresguerres ve meslektaşları da proton pompasının kloroplastın fotosentetik aktivitesini nasıl etkileyebileceğini merak ediyorlardı. Bulmak için, fitoplanktonun karbonu karbonatlara dahil etmeye ve oksijen üretmeye ne kadar devam ettiğini izlerken proton pompasının çalışmasını durdurmak için inhibitör bir ilaç olan konkanamisin A kullandılar. Proton pompasının inhibisyonunun, hücrelerde hem karbon fiksasyonunu hem de oksijen üretimini önemli ölçüde azalttığını bulmuşlardır.

Daha fazla çalışma, pompanın karbonu kloroplastların yakınında yoğunlaştırarak fotosentezi geliştirdiğini anlamalarına yardımcı oldu. Pompa, protonları sitoplazmadan ekstra zar ile kloroplast arasındaki bölmeye aktardı. Bölmedeki artan asitlik, bölmeyi nötralize etmek için daha fazla karbonun (bikarbonat iyonları biçiminde) bölmeye yayılmasına neden oldu. Enzimler, bikarbonatı tekrar karbon dioksite dönüştürdü; bu, daha sonra uygun bir şekilde kloroplastın karbon sabitleyici enzimlerine yakındı.

Araştırmacılar, diatomların ve ekstra zarlı diğer fitoplanktonların küresel okyanus boyunca dağılımına ilişkin istatistikleri kullanarak, VHA zar proteininden gelen bu verimlilik artışının, Dünya'nın atmosferik oksijeninin neredeyse %12'sini oluşturduğunu tahmin ettiler. Ayrıca, her yıl sabitlenen tüm okyanus karbonunun %7 ila %25'ine katkıda bulunur. Bu, en az 3.5 milyar ton karbon demek - küresel havacılık endüstrisinin yıllık olarak yaydığı miktarın neredeyse dört katı. Araştırmacıların tahminlerinin en üstünde, VHA yılda 13.5 milyar ton karbonun bağlanmasından sorumlu olabilir.

Bilim adamları artık, iklim değişikliğinin atmosferik karbondioksitin organik moleküllere ne kadar hızlı sabitlendiği üzerindeki etkilerini tahmin ederken, bu faktörü diğer hususlara ekleyebilirler, bu da gezegenin ne kadar hızlı ısınmaya devam edeceğini belirler. Ayrıca, okyanus asitliğindeki değişikliklerin karbon fiksasyonu ve oksijen üretimi oranları üzerinde doğrudan bir etkisinin olup olmayacağı konusundaki tartışmalara da değiniyor. Yee, bilim adamlarının yeni keşfedilen mekanizmaya dayalı biyoteknoloji çözümlerinin iklim değişikliğini sınırlamak için karbon tutma sürecini geliştirip geliştiremeyeceğini de sormaya başlayabileceklerini söyledi.

evet şimdi kim doktora sonrası arkadaş Grenoble'daki Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi'nin Hücre ve Bitki Fizyolojisi Laboratuvarı'ndan Dr.

"Ama aynı zamanda," dedi, "ne kadar çok öğrenirsek, o kadar az şey biliyoruz."